我国潮流能发电发展现状及机组技术探究——定桨距水平轴潮流能发电机组的启机控制及优化

林 东，何立君，田宏悦，林恩勒

（1.杭州林东新能源科技股份有限公司，浙江 杭州310051；2.浙江舟山联合动能新能源开发有限公司，浙江 舟山316000；3.杭州林黄丁新能源研究院有限公司，浙江 杭州311700）

引 言

潮汐是一种周期性海水自然涨落现象。在月球和太阳的引力作用下，海水做周期性运动，它包括海面周期性的垂直升降和海水周期性的水平流动。水平流动部分为潮汐的动能，称为潮流能[1]。

经调查和估算，我国海洋潮流能主要分布在沿海92个水道，可开发的装机容量为0.183×108千瓦，年发电量约2.70×1010千瓦时[2]。

近年来，我国高度重视海洋可再生能源的开发利用。2019年，潮流能发电量为160万千瓦时。2019年6月，浙江省发展改革委批复浙江舟山LHD模块化大型海洋潮流能发电机组临时上网电价，明确LHD模块化大型海洋潮流能发电项目自2016年8月机组并网发电之日起执行2.58元/千瓦时（含税）的优惠电价[3]。

潮流能发电机组是一种潮流驱动发电装置，可以将海流中蕴含的动能转换为人类可以直接利用的电能。英国MCT公司研发世界首个兆瓦级水平轴潮流发电系统SeaGen[2]，安装于北爱尔兰斯特兰福特湾。该装置采用单桩坐底式双叶轮形式，直径16米。英国OpenHydro公司开发的潮流能发电装置Open-Centert装置坐落在欧洲海洋能研究中心[4]。最初的测试装置直径6米，再早在2006年开始测试，后来在2011年又发展到直径16米，在法国北部进行试验。意大利阿吉米德桥公司研制立垂直轴的潮流能发电装置[5]。装置的上部是大浮体，下部是单台垂直轴水轮机，整机采用垂直轴潮流能发电模式。

国内，我国自主研发的LHD-L-1000林东模块化大型海洋潮流能发电机组已投入运行，采用平台+模块的结构，目前已安装了两台200千瓦和两台300千瓦机组[6-7]。

1 原理与控制

潮流能发电机组由叶轮系统、传动系统、发电机系统以及保护辅组系统组成。潮流驱动叶轮转动，将动能转化为传动系统的动能，并传递至发电机转子。发电机将传动系统的旋转动能进一步转换为电能并输入电网，实现发电功能。以LHD-L-1000装置中的一台300千瓦水平轴定桨距机组为例，其结构如图1所示。

如图1所示，潮流给叶轮施加一个驱动力矩，驱使其转动。叶轮通过传动链于发电机直接相连，带动永磁发电机转子的转动，转子线圈通过变流器与电网相连，将所发电能汇入电网。

图1 定桨距水平轴直驱潮流能发电机组结构示意图

1.1 传动链模型

如图1所示，机组传动链的作用是能量的传递，其在叶轮的驱动转矩与发电机的负载电磁转矩的共同作用下转动，其运动方程可以表示为：

式中，J为传动链的总转动惯量，D为阻尼系数。

1.2 最大功率跟踪控制

叶轮所能够捕获的潮流能为：

式中，ρ为海水密度，R为叶轮半径，ν为潮流流速，Cp为能量捕获效率，λ为叶尖速比。叶尖速比是指叶轮尖部的速度与此时经过叶轮的垂直流速的比，即

式中，ω为叶轮转速。能量捕获效率值的大小与叶尖速比相关，其关系曲线如图2所示。由图1可知，当机组的叶尖速比达到λopt时，能量捕获效率达到最大的Cpmax。

图2 潮流能发电机组能量捕获效率与叶尖速比的关系曲线

由图2可知，为了最大可能得提高潮流能发电机组的发电量，需要使运行叶尖速比保持或者靠近最佳值λopt，即最大功率跟踪（maximum power point tracking，MPPT）。目前工业上应用最为广泛与成熟的MPPT控制方法为最优转矩增益法，即对发电机的电磁转矩Tg的控制指令为：

式中，kopt为转矩控制增益系数，其数值的计算公式为：

当以式（3）的最优转矩增益法进行发电机组电磁转矩的控制时，发电机的功率可以保持在图3的黑线上，即实现最大发电功率。

图3 不同流速下机组捕获功率与转速的关系曲线图

2 启机控制策略

启机是将机组从待机状态过渡至发电状态的过程。待机状态下，机组的转速为零，变流器脱网不运行。机组停机完成且停机指令取消或故障消除后进入待机状态，等待启机运行。发电状态下，机组传动系统转动，变流器并网发电，并进行最大功率跟踪。

2.1 启机过程控制

由图3可知，机组在待机静止时叶轮的捕获功率和驱动力矩为零，无法仅依靠叶轮来实现机组的启动。因此，需要先依靠变流器以转速模式先将机组转速提升至一定值，然后再切换至转矩模式，进行最大功率跟踪控制，流程如图4所示，具体为：

1）判断是否收到启机指令。若有，则进入步骤2，否则保持待机状态；

2）判断启机条件是否满足，若满足，则进入步骤3，否则保持待机状态；

3）启动变流器，以转速控制模式，将机组的转速提升至发电机最低转速；

4）判断机组转速是否持续30秒维持在发电机转速。若是，则进入步骤5；

5）将变流器的控制模式改为转矩模式，采用最大功率跟踪控制方法。进入正常发电运行状态。

图4 顶桨距水平轴潮流能发电机组启机控制流程

2.2 最大功率跟踪失效

经过仿真测试发现，本文提出的启机控制方法在流速较高的情况下会出现最大功率跟踪失效现象[8]。当变流器的模式从转速模式切换成转矩模式后，机组转速并未随转速的变化进行最大功率跟踪，而是保持在启机转速不变。

经研究发现，其原因是，当流速较高时，叶尖速比较低，可能导致叶轮的驱动力矩小于发电机的电磁转矩与传动链阻尼力矩之和（Th＜Tg+Dω），从而机组无法进行加速。如图5所示，ωmin为发电机最小转速，即启机转速；ωopt为当前流速下的最优转速，即目标转速。由图5可知，当机组转速处于ωmin与ω1之间时，捕获功率小于负载功率，即驱动转矩小于电磁转矩。机组会逐渐减速到最低转速ωmin。

图5 机组功率与转速变化关系曲线

3 启机控制优化

为了防止高流速启机时出现的最大功率跟踪失效现象，本文对上述的潮流能发电机组的启机控制进行优化。由图5可以看出，只需要保证启机转速高于ω1，则不会出现最大功率跟踪失效现象。因此，主要的优化思路是制作一个启机转速-平均潮流流速的查表，启机时根据流速仪所测量的当前30秒平均流速调整启机转速。经过优化后的启机流程改进如图6所示。

图6 改进后的潮流能发电机组启机流程

4 仿真验证

本文采用的模型时LHD-L-1000林东模块化大型海洋潮流能发电机组中的一台300千瓦定桨距水平轴潮流能发电机组，其传动系统采用直驱+永磁发电机的方案，主要设计参数如表1所示。使用经过德国劳埃船级社（GL）认证的专业潮流能发电机组仿真软件Tidal Bladed[9]进行该机组的建模与仿真，来验证本文启机控制方法的正确性和有效性。

表1 LHD 300 kW潮流能机组主要设计参数

4.1 低流速下的正常启机案例

潮流流速为0.6米/秒，机组的启机过程图7所示。

从仿真结果可以看出，当潮流流速在0.6米/秒左右时，机组可以正常启机，首先变流器采用转速模式，控制机组的转速升高并保持在5转/分。经过一定的延时后，切换到转矩模式，采用最大功率跟踪控制方法，机组转速上升到11转/分，使叶尖速比达到最佳值，从而获得最大的潮流能捕获效率。

图7 低流速下的仿真结果

4.2 中高流速下的启机失败案例

然后进行中高流速下的启机测试，首先采用1.8米/秒左右的中等潮流流速，机组的启机过程图8所示。

图8 中等潮流流速下的仿真结果

从仿真结果可以看出，当变流器从转速控制模式切换至转矩控制模式后，转速依然保持在5转每分不改变，并未进行最大功率跟踪，即最大功率跟踪失效。

然后采用3米/秒左右的高潮流流速再次进行仿真，结果如图9所示。从图9可以看出，高流速下与中流速的结果一致，机组未进行最大功率跟踪。

图9 高潮流流速下的仿真结果

4.3 优化启机控制后的启机案例

采用本文提出的方法对机组的启机控制进行优化。根据机组参数，设置的启机转速-潮流流速查表如图10所示。

图10 启机转速-潮流流速查表

使用本文提出的优化启机控制方法再次在中高潮流流速下进行仿真，结果如图11、12所示。

由图11、12的仿真结果可以看出，变流器从转速模式切换至转矩模式后，转速继续上升，直到达到最优转速，并随潮流流速变化进行跟踪，说明本文采用启机转速查表的优化方法能够有效解决潮流能机组启机时最大功率跟踪失效的问题。

5 结 论

潮流能作为一种可再生能源，具有巨大的开发前景。目前，我国潮流能发电技术处于关键技术研究与示范阶段，潮流能发电装置装机规模、年发电量、稳定性和可靠性等多个指标达到世界领先水平，中国已成为亚洲首个、世界第三个实现兆瓦级潮流能并网发电的国家。

本文提出了一种定桨距水平轴潮流能发电机组的启机控制方法，首先通过变流器的转速模式控制机组从静止加速到一定转速，给予机组一定的初始转速。然后切换至转矩控制模式，使机组进入最大功率跟踪模式。然而在仿真测试中发现，该启机控制方法在高流速时会出现最大功率失效的问题，导致转速保持在最低转速不变。为了解决这个问题，本文对启机控制方法进行了优化，采用查表法根据实时流速调整启机转速，从而消除了最大功率跟踪失效现象的产生。

图11 中潮流流速下优化启机控制的仿真结果

图12 高潮流流速下优化启机控制的仿真结果

最后，经过仿真验证了本文的优化启机控制方法的有效性。